Влияние среды на коррозионную стойкость алюминия

Влияние воды. Если на поверхности алюминия нет воды, то он не подвержен коррозии, за исключением случаев высокотемпературного окисления, реакций с газами и воздействия некоторых горячих обезвоженных химических веществ (фенол, метанол). Вода может присутствовать в виде либо отдельных капель, либо тонкой пленки влаги, конденсированной на поверхности алюминия при температуре ниже точки росы, либо водных растворов. В контакте с воздухом вода содержит растворенный в ней кислород, который необходим для протекания процесса коррозии. Отсутствие вентиляции обычно тормозит коррозионные процессы.

Толщина оксидной пленки увеличивается при выдержке в воде, причем этот процесс ускоряется в отсутствие кислорода.

Другим важным фактором является чистота воды. Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость в очень чистой воде (дистиллированной или деминерализованной) при температуре окружающей среды. Вначале происходит слабая реакция, но через несколько дней она прекращается благодаря образованию защитной оксидной пленки. По истечении этого периода влияние воды на алюминий становится незначительным. Это подтверждается кривыми растворения алюминия в деионизированной воде (рис. 7.18).

При повышенных температурах очень чистая вода может оказывать отрицательное влияние на многие алюминиевые сплавы. При 200 °C лист из алюминия высокой чистоты разлагается в течение нескольких дней и превращается в порошок оксида алюминия.

Противоположная картина наблюдается при низких температурах: такие легирующие элементы, как никель и железо, которые обычно снижают коррозионную стойкость, при испытаниях в очень чистой воде в условиях повышенных температур приводят к повышению сопротивления коррозии. Сплавы системы Al-Ni-Fe имеют высокую коррозионную стойкость в очень чистой воде вплоть до 315 °C.

Алюминий коррозионностоек в насыщенном паре, который представляет собой относительно чистую воду, насыщенную кислородом и углекислым газом; эта среда коррозионноактивна по отношению к стали. Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов существенно не снижается под воздействием газов, содержащихся в паре, или при введении в него добавок, делающих возможным контакт пара со сталью.

В некоторых органических веществах, таких как фенол и метанол, присутствие очень небольшого количества воды предотвращает процесс коррозии, который без воды происходит при повышенной температуре. Поведение алюминия в природных водах и морской воде было рассмотрено ранее в этой главе.

Влияние pH. Как правило, защитная оксидная пленка стабильна в водных растворах, имеющих pH = 4,0/9,0. В концентрированных растворах кислот и щелочей эта пленка быстро растворяется, в результате чего начинается коррозия. Однако алюминий имеет высокое сопротивление коррозии в некоторых кислых и щелочных растворах (рис. 7.19). К ним относятся ледяная уксусная и концентрированная азотная кислоты, раствор силиката натрия и концентрированный раствор гидроксида аммония. Отсюда следует, что характер коррозионного процесса в данной среде не определяется только величиной pH среды; более важным фактором может оказаться природа ионов растворенного вещества.

Вместе с тем диаграмма Пурбэ, показывающая зависимость электродного потенциала алюминия от величины pH (рис. 7.20), основанная исключительно на положениях теоретической термодинамики и не дающая информации о скорости коррозии, предполагает стабильность оксидной пленки и, следовательно, сопротивление общей коррозии в растворах с pH в интервале от 4,0 до 9,0. Алюминиевые сплавы стали стандартными материалами, из которых изготавливают оборудование для хранения и транспортировки горячего 83 %-ного нитрата аммония. В условиях эксплуатации при избытке аммиака сплавы 1100, 3003, 5052, 5454, 6061 и 6063 (в том числе сварные соединения) отличаются прекрасной коррозионной стойкостью.

Отдельные трудности, возникающие при использовании алюминиевых сплавов в среде нитрата аммония, могут встретиться и в условиях его применения в кислых средах. При хранении нагретого нитрата аммония избыток аммиака быстро исчезает, что приводит к снижению pH и возникновению коррозии по зоне термического влияния в сварных соединениях сплава 5052. Эта же зона в сварных соединениях сплава 3003 не подвержена коррозии. Влияние кислых растворов нитрата аммония тормозится при добавлении аммиака для нейтрализации свободной азотной кислоты.

Чтобы продемонстрировать влияние pH среды, пару из сварного соединения сплава 5052 и нержавеющей стали выдерживали при 88 °C в 83 %-ных растворах нитрата аммония, имеющих pH от 3,0 до 6,0. Площадь катодной пластины из коррозионностойкой стали была больше, чем анодной из сплава 5052. Результаты испытаний показали, что величина гальванического тока зависит от pH раствора (рис. 7.21). При значениях pH больше 4,5 сила гальванического тока невелика. Результаты замеров гальванического тока в паре между сплавом 5052 и другим более электроположительным Al - Mg сплавом с более высоким содержанием магния также подтверждают, что величина гальванического тока зависит от pH раствора. Более того, добавка аммиака немедленно подавляет гальванокоррозию.

Влияние чистоты среды (присутствие следов элементов). В некоторых случаях считается, что алюминий пригоден для использования в каком-либо конкретном веществе, однако он корродирует из-за присутствия в этой среде очень малых количеств (следов) ионов тяжелых металлов. Эти загрязняющие элементы фактически не влияют на само вещество, но могут вызвать значительную питтинговую коррозию алюминия. Примером этого является случай питтинговой коррозии алюминиевой автоцистерны для перевозки мелассы (черная патока). Хотя обычно меласса не вызывает коррозии алюминия, данная партия, приготовленная в медном котле, содержала ионы меди в количестве, достаточном (больше 10 млн.-1), чтобы вызвать коррозию алюминия. Коррозия алюминия наблюдается также в случае, когда малые количества меди попадают с потоком воды из медного трубопровода в алюминиевый. Даже очень незначительные количества ртути (меньше 0,01 млн.-1), попавшие в алюминиевую систему, например при повреждении термометра или ртутного переключателя, могут вызвать сильную и быструю коррозию. Что касается атмосферной коррозии, то обычно достаточно высокая коррозионная стойкость алюминия в морской атмосфере может измениться в присутствии азота и оксидов серы при их совместном воздействии с солями, находящимися в атмосфере. С целью оценки таких атмосферных явлений, включая действие кислотных дождей, проведены специальные исследования.

Влияние температуры на коррозионное поведение алюминия в очень чистой воде рассмотрено ранее в этой главе. Повышение температуры приводит к увеличению скорости коррозии алюминия во многих химических веществах, таких как растворы минеральных и органических кислот и щелочей. Однако эта зависимость может быть и не столь простой, о чем свидетельствуют графики рис. 7.22, на которых показано поведение алюминия в серной кислоте. В некоторых других химикатах и в воде ускоряющему влиянию температуры может препятствовать образование защитной пленки. Например, при повышении температуры моноэтаноламина скорость коррозии алюминия в этой среде уменьшается в результате образования поверхностной пленки.

Что касается коррозии в атмосфере, то повышение температуры воздуха может сказываться благоприятно, поскольку поверхность металла быстрее высыхает и, следовательно, меньшее время остается влажной. Например, алюминиевые провода, работающие при температурах несколько выше комнатной, в очень малой степени подвержены коррозии, поскольку они остаются сухими.

Температура оказывает влияние на гальванокоррозию, хотя в литературе очень мало данных, подтверждающих это. Разница потенциалов между сплавами 7072 и 3003 и 7072 и 6061 меняется в зависимости от температуры, и при температуре воды, равной 71 °C, происходит перемена полярности, аналогичная реверсированию в паре цинк - железо в некоторых водных растворах при близкой температуре. При повышении температуры водной среды, вызывающей питтинговую коррозию алюминия, количество поражений возрастает, а глубина коррозии уменьшается (рис. 7.23).

Влияние движения среды. Движение коррозионной среды (жидкости или газа, включая пар) может ускорить процесс коррозии алюминия. В некоторых природных водах скорость движения потока больше 0,04 м/с оказывает благоприятное влияние и может предотвращать коррозию. Однако при более высоких скоростях (в интервале от 5 до 6 м/с) турбулентное движение на неровных участках, например на изгибах или в местах креплений, может привести к возникновению питинговой коррозии под действием направленной струи или кавитации. На процесс коррозии, связанный с движением коррозионной среды, влияют твердость металла, скорость потока, состав среды, температура и pH среды. Присутствие взвешенных твердых частиц в движущейся жидкости может ускорить процесс коррозии за счет эрозии и повреждений защитной пленки.

Влияние отношения площади поверхности к объему металла. Величина этого отношения существенно влияет на продолжительность службы алюминиевой детали в данных условиях. Это иллюстрирует кривая на рис. 7.24, показывающая потерю прочности алюминиевой проволоки (марки 1050) различного диаметра после пяти лет экспозиции под навесом в индустриально-промышленной атмосфере в Галифаксе (Канада).

Изменение толщины металла по отношению к исходной толщине в процентном отношении больше для проволоки меньшего диаметра, чем для более толстой, при этом потеря прочности при данной степени коррозии также выше. Кроме того, влияние питтинга определенной глубины тем больше, чем тоньше проволока.

Влияние отношения площади поверхности образца к объему раствора. В некоторых случаях в зависимости от указанного отношения скорость коррозии алюминиевых сплавов изменяется в широком интервале, что показано на графиках рис. 7.25. В других случаях эти изменения не обнаруживаются, например в растворах серной кислоты они совсем незначительны.

Исключительный случай представляет собой контейнер нового типа, разработанный для хранения и перевозки воспламеняющихся и взрывоопасных жидкостей, например бензина. Этот контейнер плотно заполнен лентой из алюминиевой фольги, площадь поверхности которой составляет около 12 м2 на 0,028 м3 объема контейнера. Таким образом, если сравнивать такой заполненный фольгой контейнер с обычным контейнером того же объема (например, объемом 0,03 м3), то количество алюминия, подвергающегося коррозии, и выделившегося при этом водорода (при одинаковой скорости коррозии) будет в 22 раза больше в первом случае.

Влияние давления на коррозионную стойкость алюминия обычно не обнаруживается. В определенных случаях повышение давления может свести к минимуму неблагоприятное влияние кавитации. При выдержке алюминия на больших глубинах в морской воде под высоким давлением не выявлено определенной закономерности.